用于快点火研究的超短脉冲的相干合成

 利用傅里叶光学方法，建立了一个基于远场的多束超短脉冲相干合成的理论模型。研究了一个口径为50 cm，脉宽为1 ps的超短脉冲相干合成系统的各种误差对脉冲远场时域和空域特性的影响。结果表明：若要求远场的一倍衍射极限区域的积分能量分布达到理想情况下的90％，该系统的相位延迟误差小于0.63，沿x方向角度误差小于0.37 μrad，沿y方向角度误差小于0.34 μrad；若要求远场叠加脉冲的时域展宽小于25％，系统的剩余啁啾因子应小于1.32(不考虑相位延迟)或1.52(考虑0.63的相位延迟)。     

激光波前功率谱密度与焦斑旁瓣的关系

基于波前功率谱密度(PSD)的定义,分析了采用功率谱密度方法研究中频波前畸变与焦斑旁瓣关系的可行性。由于任意形状的波前畸变都可以由不同空间频率的正弦函数叠加组成,以正弦函数波前为例进行功率谱密度分析和远场分析。分析表明,当中频波前畸变的幅度满足一定条件时,远场二级以上的衍射非常低,可以忽略不计,此时波前功率谱密度与焦斑旁瓣具有非常好的相似性,并且这种相似性仅与中频波前畸变的幅度有关,与空间频率无关。最后还用数值模拟的方法验证了这个结论对叠加后的结果仍然成立。研究结果可以用于设计满足惯性约束聚变(ICF)驱动器打靶对焦斑旁瓣要求的光学元件中频段波前畸变指标。     

宽带光参量放大过程中的转换效率提升

建立了宽带光参量放大数值模拟平台,并基于此对宽带光参量放大系统的能量转换效率提升进行优化设计,根据模拟计算结果可以对实验中能够达到的最优化能量转换效率进行预判。建立了验证实验平台并进行了实验,研究并攻克了实验中遇到的参量荧光抑制、信号光,泵浦光空间精确匹配、脉宽精确匹配、时间波形整形等关键技术难点。在抑制参量荧光的同时实现了宽带光参量放大过程能量转换效率的提升,在单级宽带光参量放大过程中获得了30%的能量转换效率。     

基于远场的拼接光栅压缩池的设计

 利用傅里叶光学方法得到了失调拼接光栅压缩池输出光束的远场振幅表达式,建立了分析拼接光栅的各种误差的理论模型,得到了拼接误差对脉冲的影响是附加相位延迟和角度偏转。在要求远场的一倍衍射极限区域的积分能量分布达到理想情况下的90％的条件下,对于含有口径为40 cm、脉宽为0.1~10 ps脉冲的系统进行分析并分别得到了各种误差的容限。     

超短脉冲通过拼接光栅的远场分析

从惠更斯-菲涅耳原理出发,得到了含有色差项的1/4圆光束在焦平面上的光场积分表达式（对于光束口径）,以及具有不同相位延迟的4束1/4圆光束相干叠加后的光场表达式,并建立了该相干叠加场的远场的数学模型,并对光束口径为10 cm,焦距为200 cm,脉宽1 ps的实例进行了模拟,得到了单光束、4个子光束间无相差和存在相位差三种情况下的远场强度分布图。结果表明,单束1/4圆光束的远场不再中心对称,而是轴对称;当子光束间存在π相位差时远场将出现明显的焦斑分裂,因此光栅拼接应将束间相差控制在远小于π的水平上。     

A cylindrical ?ffner stretcher based on ternary reflector for femtosecond petawatt-level laser system

A cylindrical ?ffner stretcher based on ternary reflector(COSTER) is proposed and analyzed. Compared with the traditional?ffner stretcher, the COSTER has no off-axis aberration in the multipass configuration, and the output laser of COSTER has lower spectral phase noise and higher temporal contrast in the far field. The COSTER is quite suitable to be used in multipetawatt laser facilities, and it might be the preferred stretcher configuration for ultrafast and ultra-intense lasers.     

高功率激光束波前空间频率划分研究

基于衍射理论和非线性小尺度自聚焦的纹波理论,推导了不同频率下的纹波经过非线性介质传输后的解析式.通过解析分析,得到了不同空间频率波前畸变的非线性增长特性.结合驱动器装置对打靶焦斑的要求,研究了波前空间频率的划分方法,并根据国内装置的特点划分了波前空间频率高中低频分界点.     

展宽压缩器的谱透过率对短脉冲时间特性的影响

为了考察短脉冲激光装置中展宽压缩器的谱透过率对输出脉冲时间特性的影响,通过解析推导得到了激光脉冲通过平行光栅对的谱透过率表达式。结果表明:谱透过率不仅与光栅尺寸及光栅线密度有关,还与光束口径、入射角、光栅间距等参数有关;通常情况下展宽器的截止带通较小,对脉冲的信噪比有较大的影响;而压缩器中由于光束口径很大,有很宽的渐变透过率带通,对压缩后的脉宽及信噪比有利。目前常见的短脉冲激光系统中,限制输出脉冲信噪比的往往是展宽器而非压缩器。     

超短脉冲经过小数值口径透镜的聚焦特性

 从亥姆霍兹方程出发，考虑透镜的色差和球差，得到了超短脉冲经过小数值口径透镜后光场的解析表达式；利用数值模拟得到了旁轴焦平面和边缘焦平面上光场强度的时空分布，以及聚焦区域内轴上点的强度分布图，并分析了色差和球差的大小对它们的影响。由于通过透镜中心和边缘之间的大部分脉冲产生了干涉相消，因此在旁轴焦平面与边缘焦平面上都出现前、后两个峰值相差很大的脉冲，并且随着球差的增大，两峰值差更大了；聚焦区域内轴上点的强度分布基本是对称的，强度最大点不是出现在旁轴和边缘焦平面上，而是在它们之间的某个位置，并且随着球差的增加，该位置将向聚焦区域的边缘靠近。     

大模场光子晶体光纤中超连续谱的产生与控制

探索利用大模场光子晶体光纤产生大功率、高光束质量的超连续谱。采用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程(GNLSE), 模拟了光脉冲在大模场光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生过程。着重分析了光子晶体光纤长度和抽运脉冲的峰值功率、啁啾等对超连续谱产生的影响, 讨论了大模场光子晶体光纤中光谱的非线性展宽机制。发现可将超连续谱产生过程分为初始展宽、剧烈展宽和饱和展宽三个阶段。合理选择光纤长度, 使产生的超连续谱处于剧烈展宽阶段时输出, 既能够得到较宽的光谱, 又能够保证较高的效率。抽运峰值功率对超连续谱的产生有重要影响, 当输入功率较小时, 脉冲的频谱成对称展宽, 仅有自相位调制(SPM)效应起作用, 其他高阶效应的影响都很弱。随着脉冲功率的增加, 频谱短波方向变化较小, 光谱向长波方向展宽。同时, 脉冲时域出现振荡调制, 振荡的起因与光波分裂现象有关。抽运光初始啁啾对超连续谱的产生也有重要影响。当啁啾为正时, 啁啾量的大小对产生超连续谱的影响较小, 蓝移方向基本没有影响, 而红移部分能量随着啁啾量的增大向长波方向转移, 超连续谱总的宽度变化较小; 当啁啾为负且满足一定条件时, 其中的非线性作用得到增强, 有利于光谱展宽。